面向工业无线ad-hoc网络的高可靠数据传输协议优化

辛苗

摘 要：为了提高工业无线ad-hoc多跳网络中数据传输的可靠性，针对复杂的工业环境和恶劣的射频环境，运用了链路质量信息反馈和合适的差错控制方法，建立了动态分解与合并报文机制，在兼顾网络能量和带宽效率的前提下，提高相邻节点间的报文传输可靠性，提出了高可靠性的MAC协议设计方案，即HR-CSMA/CA协议。实验仿真结果表明，HR-CSMA/CA协议与竞争下的CSMA/CA协议相比，在高可靠性方面有明显的提高，同时也提高了网络的吞吐量和能量利用率。

关键词：高可靠性;跨层设计;链路质量;差错控制;能量利用率

0 前言

近年来，随着无线网络在工业领域的广泛应用，这使得无线ad-hoc网络得到了飞速的发展。然而，面对着复杂的工业环境和恶劣的射频环境，如工业监控应用中，大型器械、管道等对射频信号的反射、衍射产生的多径效应，以及装备运转时产生的电磁噪声干扰等，都会严重影响射频信号的正确接收。这也极大地影响了工业无线ad-hoc网络的数据传输的可靠性的提高。工业环境下，如果数据传输的可靠性得不到保障，那么不仅会消耗节点的大部分能量和减少网络的寿命，而且还会降低无线ad-hoc网络的吞吐量。这将严重地影响数据报文可靠性的提高。同时，在工业环境下，在均衡吞吐量和能量利用率的情况下，我们也越来越关心数据传输的可靠性问题。因此，为了满足工业无线ad-hoc网络数据传输的可靠性要求，我们提出了无线ad-hoc网络的数据传输高可靠性的MAC协议设计方案。

为了改善和提高无线网络的可靠性，许多研究学者采用了许多的研究方法和思路对无线网络中各层的可靠性进行研究。例如，Subodh Pudasaini[1]等人为了在基于CSMA的分布式网络中建立规模性的广播传输方式，运用了马尔科夫链模型，提出了均衡吞吐量和可靠性的MAC协议设计方案。Xiaomin Ma[2]为了改善和提高移动ad-hoc网络的实时的单跳广播的可靠性和整体性能，提出了一维和二维的广播分析模型。Nakjung Choi[3]等人利用了SRM和PARF手段来提高无线网络下的多播的多媒体流的可靠性和速率自适应性。此外，Zvi Rosberg[4]等人在无线传感器网络中，通过均衡数据传输的可靠性和能量消耗，提出了结合节能数据可靠传输eESRT协议传输协议和ARQ协议的设计方案，以达到节能和减少端到端的延时的目的。于此同时，与传统的严格的单层设计方案相比，跨层优化设计方案渐渐地显露出优势，也获得了广泛地应用。Shusen Yang[5]等人在异构的移动ad-hoc网络提出了基于MAC层和路由层的跨层设计框架，运用了H-MANETs和双通信信道的MAC协议，解决了链路的异步问题，提高了异构网络的可靠性和整体性能。为了提高无线传感器网络的能量利用率和数据传输的可靠性，提出了一种安全的能量和数据传输的意识的数据收集SERA协议[6]。此外，Hermann Simon Lichte[7]等人为了提高无线网络的可靠性和吞吐量，提出了自动的合作的MAC协议。司伟生[8]等人在无线ad-hoc网络中，利用忙音去感知多播的可靠性和有限的开销，获取高可靠性的多播数据传输，提出了可靠的MAC协议，即RMAC协议。周莹[9]等人为了提高多广播的无线传感器网络的MAC协议的可靠性，提出了MAC协议可靠性的概率模型。此外，为了达到提高无线网络的可靠性传输的目的，许多的跨层优化设计方案被提出了[10-17]。

1 差错控制策略

差错控制是在发送端被发送的信息码中增加一些多余的监督码，使得信息码和监督码存在某种关系，因而，接收端对这种特定的关系进行校验。一旦传输出现错误，则信息码和监督码之间的关系就被破坏了，接收端就会检测出错误，从而进行错误纠正。

差错控制作为数据链路层最重要的环节，由于错误率的增加和可靠性的降低通常意味着能量消耗的增加，在无线传感器网络中进行差错控制需要解决的一个重要问题是如何在可靠性和网络能量效率间进行有效折衷报文长度优化。无线链路较高的误码率使得报文长度对于报文传输可靠性有较大影响，在确定的链路误码率条件下，报文越长，传输失败的概率越高。然而，报文长度也非越短越好，由于控制开销（如控制帧、报文头等）的存在，报文长度越短，控制开销所占比例越大，协议效率越低。我們利用工业控制网络通信信息特点进行分类，建立了动态合并与分解报文的思想，从而进一步进行链路协议机制的设计。

数据传输的可靠性的评价的性能指标就是误比特率和误码率。如公式（1）所示：

Pb 是误比特率，NEb 是错误的比特的数目，N5b 是传输的比特数总和。从上式可以得知，提高数据传输的可靠性，我们就要减少错误的比特数。因而我们要采用的合适的差错控制方式来进行差错控制，进一步提高数据传输的可靠性。

1.1混合差错控制方式

差错控制方式包括前向差错控制，检错重发，和混合方式三种。前向差错控制是发送端可以发送可以纠正的编码，当接收端发现信息码和监督码的关系被破坏了，接收端能够纠正传输中的错误，其优点是不需要反馈信道，实时性好，但是随着纠错能力的提高，设备的复杂度也提高了。检错重发方式是在发送端，信息码被插入监督码后，除了立即发送，还会暂存在缓冲存储器中，若接收端译码器接收到错误，会通过反馈信道发送重发指令。这时重发控制器控制缓冲存储器重发一次。若接收数据正确，将接收的信息码元发送给收信者。虽然能够获得很好的性能，但是增加了反馈信道，使得通信效率降低。所以我们采用了前向差错控制和检错重发两种方式的结合，即混合的差错控制方式。

根据[18]中对无线传感器的效能分析，我们可以得出混合差错控制方式的优势。效能定义同时考虑了系统的能耗和可靠性。效能的定义式如（2）。分别对前向差错控制方式，检错重发和混合方式进行了效能分析。效能分析公式如（3-5）。

通过效能分析结果表达式，我们得知与前向差错控制和检错重发控制方式相比，混合差错控制方式在能耗方面和可靠性方面都优于其他两种方式。所以，我们采用混合的差错控制方式来满足工业无线ad-hoc网络的数据传输的可靠性要求。混合的差错控制实现方框图如下图1所示

1.2 动态报文分解和合并报文机制

工业无线ad-hoc网络MAC协议的可靠性的实现，直接关系到数据报文传输的可靠性的提高。因此，我们建立了动态报文分解和合并报文机制来改善数据传输的可靠性。然而，数据报文的长短也关系到数据传输的可靠性。数据报文越长，报文容易丢失和发生错误，报文越短，报文的协议开销和能量消耗会增大。我们利用链路质量信息对数据报文进行合理的分解和合并，从而减少能量损耗和冲突碰撞。

在数据报文发送端时，数据报文根据报文的长度划分为N个固定长度的数据报文段，根据报文在数据信道传输情况，如果链路反馈的误比特率低时，适时的在发送端增加数据报文的长度，以便数据报文得到可靠的传输，同时，数据报文在传输过程中捎带确认的方式，提高数据传输的可靠性。如果链路反馈的误比特率较大时，我们减少报文发送的长度。从而减少数据报文传输的差错，我们把信道的流量信息添加到数据报文的填充字段中，以帮助各个无线传感器节点了解信道的使用情况，减少数据报文的冲突和信道的竞争。在接收端，节点检查数据报文中目的地址与自己节点的地址是否一致，如果一致，对数据报文进行差错检测，如果没有错误，节点才开始接受数据报文并进行确认。如果有错误，节点将会利用混合差错控制方式进行纠错，纠正以后再接收数据。最后，数据报文接收完后，对分解的数据报文按照序列号进行合并，然后传递给上层进行数据报文处理。

如上图所示，数据报文在发送过程中出现报文冲突或者报文丢失严重的情况下，我们对丢失的数据报文段进行分解再传输，尽量减少报文的冲突和丢失的发生率，从而达到提高无线ad-hoc网络高层数据报文传输的可靠性的目的。

2 MAC协议优化设计

为了达到提高数据传输的可靠性，我们对CSMA/CA协议做了改进。首先我们对数据帧进行了改进，如图3所示，数据帧包括前导标示符Preamble，物理协议参数PLCP，MAC帧头，用户数据User DATA和校验部分CRC。根据链路质量反馈的信息，获取信道的误比特率和流量信息情况。我们把链路质量信息添加到MAC数据帧头进行传输，方便接收节点了解链路情况。其次，如图4所示，我们对CSMA/CA协议运行策略进行了改进。当数据发送失败后，我们进行了数据失败重传机制的改进。节点会进行自适应调节发送窗口CW和数据发送速率，减少数据之间的冲突和碰撞。最后，为了进一步提高数据传输的可靠性，我们同样采用了RTS/CTS+ACK握手确认机制。

如下图所示，HR-CSMA/CA协议机制的原理：

（1）首先，组建工业无线ad-hoc网络和网络状态初始化。当源节点有数据发送时，源节点首先会检测自己的NAV是否为零，如果NAV为零，节点开始侦听无线信道的使用情况。如果NAV不为零时，节点会继续执行退避算法，直到NAV为零才再次访问信道。

（2）若节点开始发送数据之前，节点会开始侦听信道的使用情况。LBT是在每次开始发送数据之间都会采用侦听信道10s的时间，以免不同节点同时发送数据产生冲突。若信道空闲，则节点才开始传输数据，为了提高数据传输的可靠性，采用了RTS/CTS+ACK握手确认机制。若信道繁忙，节点同樣执行退避算法。

（3）如果数据被成功的传输，节点完成数据发送任务，将会进行休眠状态，等待再次被唤醒。如果数据没有被成功的传送，节点会增大下一次发送窗口CW以获得更大的成功传送机率。同时，根据信道流量信息，降低数据发送的速率，以达到提高数据传送的成功率。然后节点也会执行退避算法，设置NAV等待再次访问信道。

（4）如果数据再次被重传时，仍然没有被成功的接收，直到超出重传次数，数据发送情况上报高层，由高层决定是否重传。同样，如果数据被成功的传送，目的节点会把数据传送到高层，等待高层的处理。

终上所述，为了工业无线ad-hoc网络数据的可靠性传输，我们在MAC层采用了HR-CSMA/CA协议。在数据传输前，运用了LBT机制进行了侦听信道，采用了RTS/CTS+ACK握手确认机制去可靠地传输数据。在数据没能成功传输的情况下，我们运用了发送窗口和速率自适应调节机制。在数据成功传输的情况下，使节点转入休眠机制，已达到节能的目的。

3 路由层传输机制

在工业无线ad-hoc网络中，各个节点所形成的网络是多跳的，合理的路由传输机制对于数据的可靠传输也是很重要的。我们简要地阐述一下路由传输策略。根据无线传感器特点和无线ad-hoc网络的特点，对节点的节能和可靠性传输提出了要求。节点在传输报文时，节点会首先进行路由发现的阶段，路由路径建立后，多跳中的各个节点都会都接收的报文段进行确认，发送RREP。如果报文发送过程中断，立刻进行路由路径修复，然后RREQ去请求重新发送直到发送完成。为了提高数据报文传输的可靠性，路径选择一条次佳路径作为传输的备用方案。为了达到节能的目的，对于数据发送完成的节点自动转入休眠机制，等待唤醒。

如图5和图6所示，我们可以得知当最佳路径的链路中断，并不会影响数据报文的传输，我们可以进行链路修复或者直接使用次佳路径完成数据报文的传输。提高数据报文传输的可靠性。当然，我们假设次佳路径的节点的并不会移动超出各自的侦听范围和功率发送范围。如果次佳路径的节点的移动超出了范围，我们将只能采用链路修复，如果链路修复不成功，将链路情况通过MAC层传递到高层，告知数据传输失败，由高层决定数据是否继续传输。

4 性能分析

在这节，我们运用NS2仿真软件对CSMA/CA协议和改进的CSMA/CA协议，即HR-CSMA/CA协议，进行建模和仿真。我们主要对两种协议的可靠性，吞吐量和能耗方面进行了仿真和结果分析。我们设定数据的传输速率变化从0到120pkts/s。得出了数据包的传输率，吞吐量和能耗的变化曲线和柱状图如7-8所示。

如上圖所示，我们可以得知HR-CSMA/CA协议在数据发送的可靠性，吞吐量和能耗等方面的性能都优于CSMA/CA协议，当数据传输速率增大时，两种协议方式的数据包的发送率虽然都降低了，但是新提出的协议仍然有较高的数据发送速率。由于数据发送速率增大，数据之间的冲突增大，必然导致能耗增大，吞吐量的曲线也趋于平稳。由于新的协议是基于吞吐量和可靠性均衡提出来的。同时，能耗也是在设计MAC协议的考虑范围之内。因此，HR-CSMA/CA协议在提高工业无线ad-hoc网络的性能的方面优于CSMA/CA协议。

5 结论

本文针对工业无线ad-hoc网络，采用了跨层优化手段，提出了数据传输的高可靠性的MAC协议设计方案，即HR-CSMA/CA协议。根据链路质量反馈信息，如误比特率和信噪比，采用了合适的差错控制方法，建立了动态的报文分解和合并机制。为了实现数据的可靠性传输，在MAC层，提出了高可靠性MAC协议设计方案。同时，对路由层的传输机制进行了改进。通过这些改进，在很少影响吞吐量的情况下，使得信道的带宽利用率和数据传输的可靠性得到了提高，减少了能量浪费。本文为实现工业无线ad-hoc网络的数据可靠性传输提供了可能。

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（中國电建集团西北勘测设计研究院有限公司）